Начнем с наших гаджетов – это пригодится именно для них. Ни для кого не секрет, что в виду своей нафаршированности различными программами и приложениями заряда аккумулятора надолго не хватает и особенно это заметно, когда мы находимся вдали от дома. Но, скорее всего, вы уже слышали о возможности сделать термоэлектрический генератор своими руками, который послужит своеобразной палочкой-выручалочкой для батареи ваших смарт-часов, телефона или планшета, когда вы выедете на природу.
Что такое ТЭГ
Данное устройство, дает возможность выработать электроэнергию из энергии тепла.
Нужно пояснить, что выражение «Тепловая энергия» не совсем правильное, так как тепло, это метод отдачи, не являющийся отдельным типом энергии. Этим определением обозначают общую кинетику структурных элементов:
- молекул;
- атомов;
- иных частиц, которые входят в состав вещества.
Конструкция элемента
Элемент состоит из двух керамических пластин, которые служат для изоляции двух проводников, подводящих напряжение и закрепленных соединенными последовательно полупроводниками-термопарами.
Схема устройства
На схеме указаны основные элемента:
- А — места для подключения к источникам напряжения;
- В — нагреваемая часть элемента;
- С — охлаждаемая часть;
- D — проводники (обычно выполняемые из меди);
- E — полупроводниковый элемента (p-типа);
- F — полупроводниковый элемент (n-тип).
Обратите внимание! Устроена пластина так, что ее полупроводниковые части за счет своего типа и расположения при пропускании тока создают разницу температур. В совокупности это выглядит, как перенос тепла от одной пластины к другой.
Отличие ТЭГ от ТЭС
На ТЭС применяют топливо для выделения из жидкости пара, вращающий турбину электрогенератора.
С помощью теплоэлектрического генератора электроэнергия генерируется без посреднических преобразований.
Технические характеристики
Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:
- холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
- максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
- допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
- максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
- внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
- коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.
Принцип работы
В девятнадцатом веке одним ученым обнаружилось возникновение электродвижущей силы в замкнутой цепи, при изменениях температуры в среде контактировании сурьмы с проводником.
Нагревая один из контактов, возникает магнитное поле, что вызывает ЭДС. При нагревании второго контакта, поток ЭДС противоположно изменяется.
Разорвав цепь, фиксируется противоположность потенциалов на ее краях. Это и является основным принципом работы термоэлектрических генераторов.
- Производство взрывозащищенного оборудования
Что нужно знать при выборе ветрогенератора
Генератор из асинхронного двигателя: схема, таблица, инструкция, как сделать своими руками + фото от мастера!
Спустя двенадцать 12 лет другой физик выявил противоположный эффект. Пропустив ток по цепи термопары, в контактах создается перепады температур.
В принципе эти оба эффекта разные стороны одного и того же явления, дающего возможность непосредственно получить электричество из тепла.
Принцип действия модулей
На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.
Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).
Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.
Модуль «Пельтье»
Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.
Схема принципа работы модуля
В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.
Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.
Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.
На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.
Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.
Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.
На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.
Как выглядит структура модуля
Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.
В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.
Достоинства и недостатки ТЭМ
К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:
- малые размеры;
- возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
- обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
- отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.
Недостатки модулей:
- малый КПД (2-3%);
- необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
- значительное потребление электроэнергии;
- высокая стоимость.
Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:
- охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
- использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
- создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
- термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.
Перспективы
В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.
Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:
- нанотехнологий;
- ям квантования и т.п.
Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.
Солнечная батарея своими руками — пошаговая инструкция как изготовить и провести монтаж солнечной батареи в домашних условиях (фото и видео-инструкция)Как подобрать солнечную электростанцию: готовые решения, принцип работы, как выбрать и установить своими руками (фото + видео-инструкция)
Солнечные коллекторы для отопления дома: преимущества, недостатки, мифы, правда и отзывы владельцев (130 фото + видео)
Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.
Как проверить на работоспособность
При покупке и использовании может возникнуть вопрос, как проверить элемент Пельтье на работоспособность. Самый простой способ проверки — подключить термоэлемент к источнику напряжения и проверить обе его стороны рукой. Одна сторона должна быть холодной, а вторая начать нагреваться.
Если нет возможности использовать источник тока, от которого можно было бы осуществить питание элемента, то придется пойти от обратного. Для этого нужно иметь под рукой мультиметр и источник огня (лучше всего зажигалку). Выводы мультиметра необходимо подключить к проводам от элемента. После этого по одной из сторон нужно провести зажигалкой.
Обратите внимание! Если пластина рабочая, то под действием огня она начнет вырабатывать некоторое количество электричества. Это можно будет увидеть по показаниям электроизмерительного прибора.
Элемент Пельтье может использоваться во многих сферах деятельности обычного человека. Сделать качественный и эффективный элемент самостоятельно в домашних условиях достаточно сложно. Проще купить готовый в магазине и уже из него сооружать множество полезных конструкций дома.
Как сделать собственноручно
Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.
Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.
Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.
Однако есть большая проблема, необходимо подбирать элементы с похожими параметрами, что достаточно затруднительно либо дорого обходится, легче приобрести готовый прибор.
Ветровые электростанции для дома — плюсы, минусы и обзор лучших современных моделей (105 фото)Биогазовая установка своими руками — пошаговое описание производства, 130 фото и видео описание биогазовой установки
- Как найти строителей для ремонта в офисе
Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.
Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.
Методика расчета самодельного холодильника на элементах Пельтье
Исходим из факта, что теплопотери зависят линейно от разницы температур внутри и снаружи самодельного холодильника. Идём от простого к сложному:
- Допустим, температура в комнате составляет 20 ºС и на протяжении опыта остаётся неизменной. Начнем исследование. Очевидно, что при отсутствии элементов Пельтье температура внутри холодильника составит 20 ºС. Это первая точка на прямой (потери линейно растут от разности температур снаружи и внутри самодельного холодильника). Установим элемент Пельтье с радиаторами на обоих боках, причем наружный станет обдуваться кулером для усиления эффекта.
- Через время температура в отсеке объемом 30 литров составила 14 ºС. Утверждаем, что, добавив еще два элемента Пельтье с радиаторами и кулерами, любой получит 2 градуса тепла внутри самодельного холодильника, если в комнате 20 ºС тепла. Схема:
- Начертите на листе бумаги две оси. В точке пересечения по обеим – нуль. Горизонталь – линия температур.
- Отметьте на горизонтали точку 20 ºС. Это исходный момент, когда тратится нуль мощности, а температура внутри самодельного холодильника равна комнатной.
- Теперь чертите из нарисованной точки прямую, пересекающую вертикальную ось на любой, но обязательно положительной высоте.
- Отметьте на две трети от начала координат точку на оси Х (температур). Это 14 ºС, а по вертикали на линии – мощность одного элемента Пельтье, уравновесившего потери.
- Теперь отметьте точку на треть от начала. Здесь 8 ºС, а элементов Пельтье понадобится уже два. Это видно по графику.
Главные нюансы сборки
Изначально нужно нанести на основание термопасту там, где предназначена фиксация основного элемента, прислонить его и прижать охлаждающей деталью. В итоге получается конструктивное изделие.
Сухой спирт, пожалуй, станет лучшим топливом для этого приспособления. Далее нужно подсоединить к сделанному прибору устройство стабилизирующие напряжение.
Схему возможно посмотреть на сайтах в интернете либо в иных источниках предлагающих эту тему.
Изделие готово, теперь осталось только произвести испытание.
Где применяется
Миниатюрность настоящих элементов и относительно низкое их энергопотребление, — вкупе с отсутствием движущихся частей или различных жидкостей, применяемых в целях переноса тепла — предоставляет широкий спектр ниш использования. Сюда входят автомобильные кондиционеры, системы охлаждения микросхем и элементов электроники, мини-холодильники, подставки поддерживающие определенную температуру размещенных сверху емкостей. Кроме названых используется оборудование на элементах Пельтье в специфичных сферах, на подобии ПЦР-амплификаторов, нагревающихся систем вспышки фотоаппаратов, телескопах (для снижения теплового шума) и приемниках излучения инфракрасных устройств.
Реже можно заметить настоящий элемент в роли части конструкции генераторов. Хотя на рынках периодически всплывают аппараты аналогичного класса, к примеру, в виде фонариков, работающих от тепла человеческого тела или слабых машин, производящих электрический ток в целях подзарядки аккумуляторов смартфонов или ноутбуков.
Напряжение, получаемое на выходе элементов Пельтье:
Фото термоэлектрического генератора своими руками
Вам понравилась статья? Поделитесь
1+
Применение
Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:
- мобильных холодильных установок;
- небольших генераторов для выработки электричества;
- систем охлаждения в персональных компьютерах;
- кулеры для охлаждения и нагрева воды;
- осушители воздуха и т.д.
Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.
Холодильник на элементах Пельтье
Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:
- простота конструкции;
- устойчивость к вибрации;
- отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
- низкий уровень шума;
- небольшие габариты;
- возможность работы в любом положении;
- длительный срок службы;
- небольшое потребление энергии.
Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.
Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля
Элемент Пельтье как генератор электроэнергии
Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.
Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.
Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.
Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт
Для охлаждения процессора
Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.
Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.
Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.
Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.
Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.
Термоэлектрический кулер Армада
Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.
Кондиционер на элементах Пельтье
Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.
Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.
В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.
Для охлаждения воды
Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:
- вода не охлаждается ниже 10-12°С;
- на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
- устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
- не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.
Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье
Осушитель воздуха на элементах Пельтье
В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.
Простой и недорогой китайский осушитель воздуха на элементах Пельтье
Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.
Электричество от двух стержней
Данный способ основан совсем на другой теории и никакого отношения к магнитному или электрическому полю Земли не имеет. А теория эта – о взаимодействии гальванических пар в солевом растворе. Если взять два стержня из разных металлов, погрузить их в такой раствор (электролит), то на концах появится разница потенциалов. Ее величина зависит от многих факторов: состава, насыщенности и температуры электролита, размеров электродов, глубины погружения и так далее.
Такое получение электричества возможно и через землю. Берем 2 стержня из разных металлов, образующих так называемую гальваническую пару: алюминиевый и медный. Погружаем их в землю на глубину ориентировочно полметра, расстояние между электродами соблюдаем небольшое, хватит 20—30 см. Участок земли между ними обильно поливаем солевым раствором и спустя 5—10 мин производим измерение электронным вольтметром. Показания прибора могут быть разными, но в лучшем случае вы получите 3 В.
Примечание. Показания вольтметра зависят от влажности почвы, ее природного солесодержания, размеров стержней и глубины их погружения.
В действительности все просто, получившееся бесплатное электричество – это результат взаимодействия гальванической пары, при котором влажная земля служила электролитом, принцип похож на работу солевой батарейки. Реальный эксперимент о разнице потенциалов на электродах, забитых в землю, можно посмотреть на :
Холодильник из пенопласта и модулей Пельтье
Речь в сегодняшней статье пойдет, не о превращении упаковочного пенопласта в клей посредством растворения оного в ацетоне. Сегодня поговорим о самоделке чуть более сложной, но очень полезной в хозяйстве, гараже или же дома. Еще со школьных времен мы знаем об элементе Пельтье, который ,при подаче на него некоторого напряжения, выделяет с одной стороны тепло, а с другой холод.
Тот самый элемент, на 75 Ватт.Итак, делать будем мини холодильник, можно назвать его настольным. И, для начала, возьмем тонкий упаковочный пенопласт, и при помощи двустороннего скотча соберем из него коробку с дверцей. Размер коробки берем ориентировочно как 5 литровая бутыль от воды.
Коробка из пенопласта.Далее, собираем главную деталь. К холодной стороне элемента на термо пасту приклеиваем небольшой алюминиевый радиатор от электроники. На горячую сторону приклеиваем на тот же состав радиатор от процессора с вентилятором.
Главный узел устройства.Прорезав отверстие в задней стенке коробки, вставляем внутрь холодный радиатор и приклеиваем весь узел к задней стенке.
Задняя стенка холодильника.Соединяем параллельно концы элемента и вентилятора, подаем 12 Вольт. Ставим пару банок пенного в наш холодильник. Через час употребляем напиток температурой 15 градусов.
Результат усилий. Источник
